Cá phương pháp phân tích hệ thống điện ứng dụng lập chương trình hỗ trợ các phương pháp giảng dạy phân tích lưới

Tổng quan về ệ ố h th ng điện I.1 Khái niệm về hệ thống điện Trang 4 H thệ ống điện là một phần của hệ ống năng lượng, nhằm thực hiện nhiệm vụ th cung cấp điện năng cho sinh hoạt và ho

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯ NG Đ Ờ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

-

LUẬ N VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C

C¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch hÖ thèng ®iÖn øng dông lËp ch¬ng tr×nh hç trî c¸c ph¬ng ph¸p gi¶ng d¹y ph©n tÝch líi

Ch¬ng I:

tæng quan vÒ hÖ thèng ®iÖn

I Tổng quan về ệ ố h th ng đi ện

I.1 Kh¸i niÖm vÒ hÖ thèng ®iÖn

Lµ mét hÖ thèng bao gåm tÊt c¶ c¸c phÇn tö tham gia vµo viÖc s¶n xuÊt, truyÒn t¶i, ph©n phèi vµ tiªu thô ®iÖn n¨ng Bao gåm c¸c nhµ m¸y ®iÖn , tr¹m biÕn ¸p , c¸c ®êng d©y truyÓn t¶i ®iÖn vµ c¸c thiÕt bÞ kh¸c nh tô bï, thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn, thiÕt bÞ b¶o

vÖ ®îc nèi víi nhau thµnh hÖ thèng hîp nhÊt

H thệ ống điện là một phần của hệ ống năng lượng, nhằm thực hiện nhiệm vụ th cung

cấp điện năng cho sinh hoạt và hoạt động sản xuất, xó hội, dịch vụ của con người, là

một dạng năng lượng dễ ử ụng và cú tớnh phự hợp cao với nhiều mục đớch khỏc nhau s d

Vỡ vậy mà năng lượng điện đang ngày càng chiếm thị phần l n trong hớ ệ ống năng lượ th ng tiờu thụ và đang trở thành một dạng năng lượng chủ ự l c cho t t cấ ả cỏc hoạt động của con người

Các quá trình vật lý xảy ra trên đờng dây truyền tải từ máy phát qua máy biến áp và tới các tải công nghiệp hay các hộ tiêu thụ vừa và nhỏ đều liên quan tới các quá trình điện

từ trên đờng dây tải điện Các thông số của đờng dây không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý của các thiết bị điện mà còn phụ thuộc vào các thông số động nh công suất truyền tải của đờng dây, điện áp và dòng điện

- Khâu sản xuất điện năng là nhiệm vụ của các nhà máy điện Các nguồn năng lợng cung cấp lên đờng dây cung cấp cho các phụ tải vả các hộ tiêu thụ là do các nhà máy

điện cung cấp Ta có thể phân ra một số loại nhà máy điện dựa vào nguồn năng lợng mà

nó sử dụng để biến đổi thành điện năng nh sau:

+ Nhà máy thuỷ điện biến đổi thuỷ năng của dòng nớc thành điện năng Đây là loại năng lợng đợc khai thác tập trung hơn cả do nguồn năng lợng sơ cấp của nó không mất tiền mua ,chỉ tốn công xây dựng nhà máy đờng dây truyền tải công suất về các trung tâm công nghiệp thờng cách xa nhà máy

+ Nhà máy nhiệt điện bíên đổi nhiệt năng thành điện năng, nguồn nhiệt lấy từ - các chất đốt có sẵn trong tự nhiên nh than đá, dầu mỏ, khí đốt lấy từ ngành công nghịêp khai thác nguyên liệu chất đốt Các nhà máy này phải xây dựng ở nơi có đờng giao thông thuận lợi, nhất là về giao thông đờng thuỷ

+ Nhà máy điện nguyên tử là loại nhà máy điện hiện đại nhất hiện nay do tình - chất nguy hiểm của nó trong quá trình sản xuất điện Nhà máy này sản xuất điện năng nhờ và năng lợng hạt nhân đợc giải phóng trong phản ứng hạt nhân Sử dụng hai loại phản ứng hạt nhân để sản xuất năng lợng là phản ứng phân hạch và phản ứng nhịêt hạch Trong các nhà máy này, đảm bảo an toàn cho ngời vận hành và cho kiểm soát tộc độ phản ứng đợc quy định hết sức kĩ càng và ngặt ngèo

- Khâu truyền tải và phân phối điện năng là nhiệm vụ của hệ thống đờng dây và các trạm biến áp cũng nh có sự tham gia của các thiết bị điều khiển, bảo vệ Phần này sẽ

đợc đi sâu và chi tiết hơn ở chơng hai khi nói về các phần tử trong hệ thống điện

- Khâu cuối cùng trong hệ thống điện là vấn đề tiêu thụ điện năng ở đây là nói đến các phụ tải điện sử dụng điện năng để biến đổi thành các dạng năng lợng khác,phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất Có rất nhiều loại phụ tải điện ,nó là thông số quan trọng để xây dựng lới điện và cấu trúc hệ thống điện

Ta có thể phân biệt nhiệu loại hệ thống điện:

- Hệ thống điện tập trung ,trong đó các nguồn điện và các nút phụ tải lớn tập trung trong một phạm vi vừa và nhỏ, chỉ cần dùng các đờng dây ngắn để tạo thành hệ thống

- Hệ thống điện hợp nhất ,trong đó các hệ thông điện độc lập ở cách xa nhau đợc nối liền thành hệ thống các đờng dây tải điện siêu cao áp

- Hệ thống điện địa phơng hay cô lập là hệ thống điện riêng, nh hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các hệ thống điện ở các vùng xa không thể nối vào hệ thống điện quốc gia

Trong quản lý, hệ thống điện phân thành:

- Các nhà máy điện do các nhà máy điện tự quản lý

- Lới hệ thống siêu cao áp (>=220kV)và trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý

- Lới truyền tải và phân phối do các công ty lới điện quản lý, dới nó là các sở

điện

Về mặt quy hoạch ,hệ thống điện chia thành 2 cấp:

-Nguồn điện, lới hệ thống ,các trạm khu vực đợc quy hoạch trong tổng sơ đồ

-Lới truyền tải và phân phối đợc quy hoạch riêng

Về mặt điều độ, hệ thống điện chia ra 3 cấp:

- Lới truyền tải(35 220 kV)

Lới phân phối trung áp (6 35 kV)

Lới phân phối hạ áp

Mỗi loại lới có các quy luật hoạt động và tích chất vật lý khác nhau ,do đó các phơng pháp tính đợc sử dụng khác nhau,các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau

I.2 Khỏi ni m v mệ ề ạng điện

Mạng điện là một phần của hệ ống điện, là một tập hợp gồm cú cỏc trạm biến th

ỏp, trạm đúng cắt, cỏc đường dõy trờn khụng và cỏc đường dõy cỏp Mạ ng đi n đư c ệ ợ dựng để truy n t i và phõn phề ả ối điệ n năng t ừ cỏc nhà mỏy điệ n đ n cỏc h tiờu th ế ộ ụ

Đường dõy truy n tề ải điện cú điện ỏp lớn hơn 1 kV là đường dõy điện ỏp cao Đường dõy cú điện ỏp nh ỏ hơn 1 kV là đường dõy điện ỏp th p ấ

Truyền tải điện năng từ cỏc nhà mỏy điện đư c thực hiện bằợ ng cỏc đư ng dõy truyền ờ

tải điện ỏp t 100 kV tr lờn ừ ở

Cỏc trạm đư c sử ụng để ến đổi điệợ d bi n ỏp và phõn phối điện năng Trong cỏc trạm

cú cỏc mỏy biến ỏp, cỏc thanh gúp, cỏc thiết bị đúng cắt và cỏc thiết bị ph b o vụ để ả ệ, đo lường, điều khi n và t ng hoỏ Cỏc tr m điể ự độ ạ ện được dựng để liờn kết cỏc mỏy phỏt điện

và cỏc hộ tiờu th ụ điện v i cỏc đư ng dõy truy n tớ ờ ề ải điện, và cũng như để liờn kết cỏc

ph n riờng bi t cầ ệ ủa hệ thống điện

Như vậy cũn hai ph n t n a c a h thẩ ử ữ ủ ệ ống điện là h tiờu th ộ ụ điện hay cũn g i là ph ọ ụ

t i và nguả ồn điện (cỏc nhà mỏy điện)

H ộ tiờu thụ điện bao gồm cỏc thiết bị ử ụng điện riờng biệt hay là tập hợp tất cả s dthiết bị điện đú Thiết bị ử ụng điệ s d n là cỏc động cơ điện đồng bộ, động cơ khụng đồng

bộ, cỏc lũ điện cảm, mỏy hàn điện, cỏc thiết bị chi u sỏng ế

D a vào yờu c u liờn tự ầ ục cấp điện, cỏc hộ tiờu th ụ được phõn thành ba lo i: ạ

H lo i 1 : là nhộ ạ ững hộ tiờu th ụ điện quan trong, nếu như ngừng cung cấp điện cú th ểgõy ra nguy hiển đến tớnh m ng và sạ ức khỏe của con người, gõy thiệ ạt h i nhi u v kinh tề ề ế,

hư hỏng thi t b , làm h ng hàng lo t s n ph m, r i lo n cỏc quỏ trỡnh cụng ngh ph c t p ế ị ỏ ạ ả ẩ ố ạ ệ ứ ạ( cỏc lũ luy n gang, thộp hay m , s n xuệ ạ ả ất hoỏ chất độc hại)

H loộ ại II : là cỏc hộ tiờu thụ ếu như ngừng cung cấp điện chỉ gõy thiệt hại kinh tế n

do quỏ trỡnh s n xu t b ả ấ ị giỏn đoạn ( cỏc nhà mỏy cụng cụ, dệt, sản xuất dõy chuy n ) ề

H loộ ại III : là tất cả cỏc hộ tiờu thụ khụng thuộc hai loại trờn ( như sinh hoạt dõn

d ng, chiụ ếu sỏng trường h c ) ọ

I.3 Phân loại mạng điện

Mạng điện có thể ến hành phân loại theo dòng điện, điện áp, chức năng thực hiệ ti n, tính ch t cấ ủa hộ tiêu th , hình dáng cụ ủa sơ đồ

- Theo loại dòng điện, các mạng điện đượ chia thành mạng xoạy chiều, mạng một c chiều Đa số các nước tiêu thụ điện trên thế ới đều sử ụng mạng điện xoạy chiều ba gi dpha t n s 50 hz, ho c 60 hz Các mầ ố ặ ạng điện một chiều được dùng để truyề ản t i công su t ấhay để liên k t các h thế ệ ống điện v i nhau ớ Ngoài ra điện m t chiộ ều còn được s d ng ử ụtrong một số lĩnh vực, ví d trong công nghi p hoá chụ ệ ất, điện khí hoá giao thông, truyền động điện

- Theo điện áp, mạng điện được chia theo các loại điện áp siêu cao áp( ≥330 kV), điện áp cao áp(3-330 kV) và điện áp h áp (<1 kV) ạ

- Theo hình dáng sơ đồ ối điệ n n, các mạng điện được chia thành mạng điện kín hoặc

mạng điện hở Mạng điện h ở là mạng điện trong đó các phụ ải đượ t c cung cấp điện ch t ỉ ừ

m t phía, còn mộ ạng điện kín là mạng điện mà phụ ải đượ t c cung cấp ít nh t t hai phía tr ấ ừ ởlên

- Theo chức năng thực hiện, có thể phân mạng điện thành mạng truyền tải hệ ống, thmạng cung cấp và mạng phân phối Mạng truyền t i h th ng có cả ệ ố ấp điện áp cao t 330 ừ

đến 1150 kV, có nhi m v t o thành h thệ ụ ạ ệ ống điện h p nh t gi a các nhà máy đi n công ợ ấ ữ ệ

suất lớn, đảm bảo chúng vận hành như một hệ ống nhất và đồ th ng thời đảm b o chuy n ả ể

tải hết công suất phát ra từ các nhà máy điện đó Mạng truyền tải hệ ống thực hiện việc th

kết nối hệ ống, nghĩa là nối kết trên một khoảng cách rất lớn giữa các hệ ống điện và th thđược điều khi n v n hành t mể ậ ừ ột trung tâm điều độ ợ h p nh t qu c gia M ng cung c p ấ ố ạ ấhay còn g i là m ng khu vọ ạ ực được sử ụng để d truyền tải điện năng từ các thanh góp điện điện áp cao Udd : 110 - 220 kV của các nhà máy điện đến các trạm biến áp khu vực (các trung tâm cung c p) cấ ủa mạng phân ph i Các m ng cung cố ạ ấp có điện áp t 110 kV trừ ở lên, đôi khi do mật độ ph tụ ải tăng, công suấ ủa các nhà máy điện cũng tăng và chiềt c u dài

mạng điện cũng tăng nên cấp điện của mạng cũng tăng lên, đôi khi có thể lên đến 330

-550 kV Trong các tr m khu v c có các máy biạ ự ến áp điều chỉnh điện áp dướ ải t i Mạng phân phối được dùng để truy n tảề i điện năng từ các thanh góp h áp c a các tr m khu v c ạ ủ ạ ự

đến cỏc h tiờu th ộ ụ điện Kho ng cỏch truy n t i c a cỏc m ng phõn ph i khụng l n Cỏc ả ề ả ủ ạ ố ớ

mạng phõn phối hở hay vận hành hở Cỏc mạng phõn phối được chia thành mạng điện ỏp cao và mạng điện ỏp th p (h ỏp) ấ ạ

- Theo tớnh chất của hộ tiờu thụ cỏc mạng điện phõn phối đư c chia thành mạ g điện ợ ncụng nghiệp, mạng điện nụng nghi p và mệ ạng điện thành ph ố

- Theo vựng lónh thổ, cỏc mạng điện được phõn thành mạng khu vực và mạng điện địa phương Cỏc mạng khu vực dựng để ấ c p và phõn phối điện năng trờn một khu v c ự

rộng lớn Mạng khu vực cú điệ ỏp từ 100kV trở lờn Cỏc đường dõy truyề ả ủn n t i c a m ng ạkhu vực cú chiều dài l n Mớ ạng địa phương cú điện ỏp đến 66 kV và được dựng để cung

cấp điện cho khu vực nhở Cỏc đường dõy truyề ản t i trong mạng điện địa phương cú chiều dài dưới 50-60 km Cỏc mạng điện thành ph , m ng cụng nghi p và mố ạ ệ ạng điện nụng nghiệp là cỏc mạng điện địa phương

Mỗi một mạng điện được đặc trưng bằng điện ỏp danh định, điện ỏp này được sử

dụng để tớnh điện ỏp danh định của cỏc thiế ị trong mạng điện ( mỏy phỏt điện, mỏy biến t b

ỏp, đường dõy ) Điện ỏp danh định đảm bảo cho cỏc thiết bị làm việc bỡnh thường và đạt được hi u qu kinh t t t nh t ệ ả ể ố ấ

Cỏc giỏ tr tiờu chuị ẩn của điện ỏp danh định trờn thế ớ gi i với mạng xoay chiều điện

ỏp cao (kV) là : 3; 3,3 ; 6,6 ; 10 ; 11; 15; 20; 22; 30; 35; 45; 47; 66; 69; 110; 115; 132; 150; 161; 220; 230; 275; 287; 330; 345; 380; 400; 500; 735; 765; 1150

Đố ới v i cỏc mạng điện ỏp thấp, điện ỏp danh định gi a cỏc pha và đi n ỏp pha là : ữ ệ220/127; 380/22/ ; 660/380 (V)

Cỏc mạng điện m t chi u cú th cú cỏc cấp điện ỏp : ±ộ ề ể 80, 100, 125, 200, 250, ± ± ± ±

±266, 270, 300, 400, 200, 450, 500, 533, 600, 750 ± ± ± ± ± ± ± ± ±

D ự bỏo cú thể xuất hiện cỏc mạng điện xoay chiều cú cỏc cấp điện ỏp cao hơn như

1050, 1100, 1300, 1500, 200-2500 kV và đường dõy m t chi u 1500 kV ộ ề ±

I.4 Yêu cầu đối với mạng điện

Khi thiết kế mạng điện cần phải bảo đảm 4 yêu cầu chính sau đây

1.4.1 Liên tục cung cấp điện

Mức bảo đảm tuỳ theo loại hộ dùng điện

a Hộ loại 1

Không cho phép mất điện, nếu bị mất điện sẽ bị thiệt hại về kinh tế, về chính trị Nguy

gió cho công nhân làm việc trong các hầm lò, những buổi đón tiếp mít tinh quan trọng ta phải tìm mọi cách để đảm bảo liên tục cung cấp điện nh dùng đờng dây kép dẫn điện đến, lấy điện từ nhiều nguồn khác nhau, đặt thiết bị phát điện dự phòng

b Hộ loại 2

Hộ loại này nếu bị mất điện cũng gây tác hại về kinh tế, nhng ta phải so sánh về mặt kinh tế giữa khoản tiền lúc có đặt thiết bị dự phòng với khoản tiền thiệt hại cho sản xuất khi bị mất điện mà không có thiết bị dự phòng, trờng hợp nào kinh tế hơn thì làm

Ví dụ: Nh nhà máy dệt, phải tính xem nếu phải dùng đờng dây kép để dẫn điện thì tiền phí tổn xây dựng, bảo quản tu sửa phải tăng thêm bao nhiêu, đồng thời ta cũng tính trờng hợp chỉ dùng một đờng dây cung cấp điện, khi bị mất điện một thời gian thì nhà máy bị thiết hại vì ngng sản xuất, phế phẩm, tiền lơng công nhân là bao nhiêu, và cuối cùng xem trờng hợp nào có lợi thì làm

c Hộ loại 3

Hộ loại này không cần bảo đảm liên tục cung cấp điện nhiều lắm nh: trờng học, khu vực điện sinh hoạt nông thôn

1.4.2 Bảo đảm chất lợng điện năng

Chất lợng của điện năng là điện áp U và tần số f Ta phải bảo đảm điện áp và tần số

ở trị số định mức Điện áp chỉ đợc phép dao động trong khoảng ± 5% so với điện áp định mức, có những thiết bị điện áp chỉ đợc phép dao động trong khoảng 2,5% (có những ± thiết bị chính xác, đèn thắp sáng trong xí nghiệp ) Nếu điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50% Nếu điện áp giảm đi 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, động cơ quay chậm lại và nếu hạ thấp nữa thì có thể ngừng quay

Chỉ những phơng án có sơ đồ nối dây hợp lý bảo đảm đợc chấp lợng điện năng trong mọi tình trạng vận hành khác nhau (bình thờng cũng nh lúc sự cố), thì mới đợc giữ lại để so sánh kinh tế, quyết định lựa chọn phơng án cuối cùng

1.4.3 Chỉ tiêu kinh tế cao

Chỉ tiêu kinh tế cao của một mạng điện chủ yếu là do:

- Vốn đầu t nhỏ nhất

- Tổn thất điện năng dọc đờng dây ít nhất

Khi thiết kế phải chú ý những điều trên để đạt đợc chỉ tiêu kinh tế cao nhất Tuyệt

đối không thể chỉ quá chú trọng về mặt kỹ thuật mà coi nhẹ mặt kinh tế Quan điểm kinh

tế kỹ thuật phải đợc áp dụng thật linh hoạt tuỳ theo từng giai đoạn, tuỳ theo chính sách - của nhà nớc Thờng hai điểm trên mâu thuẫn với nhau, ta phải linh động tuỳ theo chính

10/0,4 kV

Luới hạ áp

Phụ tải Luới trung áp

sách mà thiết kế, ví dụ nh vốn của nhà nớc còn ít thì lại phải chú ý đến vốn đầu t ban

đầu

1.4.4 An toàn đối với con ngời

Khi quyết định sơ đồ nối dây của mạng điện cần phải đảm bảo an toàn cho công nhân, nhân viên thao tác vận hành, phải đảm bảo an toàn cho nhân dân ở những vùng có

đờng dây đi qua Tại Việt Nam rất coi trọng vấn đề này, tuyệt đối không thể coi nhẹ đợc

II Phụ tải điện

- Cũng có thể cho theo dòng điện

- Hay là khái niệm dùng để chỉ chung các hộ dùng điện và các thiết bị dùng điện

Phụ tải điện là thông số quan trọng trong quy hoạch lới điện,lựa chọn các phần tử và lập kế hoạch vận hành

II.2 Đặc điểm của phụ tải điện

Phụ tải gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng Công suất tác dụng là công suất sinh ra công, gây tiêu hao năng lợng của nguồn điện, công suất phản kháng Q

là công suất sinh ra từ trờng, mang tính cảm, không tiêu thụ năng lợng của nguồn điện, nhng dòng điện chạy trong dây dẫn lại gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng

Phụ tải điện có các đặc điểm sau:

- Biến thiên theo quy luật của sinh hoạt và sản xuất là quy luật ngày và đêm.Do đó

đồ thị phụ tải ngày đêm của các ngày thứ 2 6 là có thể coi nh giống nhau,còn ngày - nghỉ thì khác hơn

- Tại một thời điểm,phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình và theo phân phối chuẩn

- Ngoài ra phụ tải còn có tính chất mùa

- Phụ tải biến thiên mạnh theo thời tiết,đặc biệt là nhiệt độ môi trờng, ma hoặc khô

- Phụ tải biến đổi theo tần số và điện áp tại điểm đấu vào lới điện theo công thức:

P=Kp(U)pv(f)pf

Q=Kq(U)qv(f)qf

Kp,Kq:phụ thuộc vào giá trị định mức của phụ tải P, Q

pv,pf,qv,qf:là đại lợng thống kê đặc trng cho các loại thiết bị dùng điện

Tuy nhiên, đôi khi ngời ta tính công suất tác dụng và phản kháng dựa vào đặc tính

có dạng một parabol :

P=U2/Rpt

Q=U2/Xpt

III Hoạt động của hệ thống điện

III.1 Chế độ làm việc của hệ thống điện và cân bằng công suất

Khi hệ thống điện hoạt động, điện năng đợc sản xuất ra trong các nhà máy điện truyền lên lới hệ thống, từ lới này điện năng đi qua lới truyền tải đến lới phân phối,

và tại đây điện năng đợc phân phối cho các phụ tải cấp trung áp và qua các trạm biến áp phân phối để điện năng cung cấp cho mạng lới điện hạ áp

Các quá trình điện từ và các quá trình khác xảy ra trong hệ thống điện hay một phần của hệ thống điện và xác định trạng thái của nó trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ hệ thống điện

Chế độ hệ thống điện bao gồm các thông số về công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp, dòng điện tại mọi điểm của hệ thống điện Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian do nhu cầu điện năng của phụ tải luôn biến đổi theo quy luật sản xuất và sinh hoạt và các sự cố bất thờng nh: ngắn mạch, hỏng hóc ngẫu nhiên các tổ máy phát

- Chế độ làm việc của hệ thống điện tại chế độ xác lập là chế độ làm việc mà các thông số của hệ thống điện chỉ dao động trong khoảng thời gian rất bé, gần nh không đổi

- Chế độ quá độ là chế độ mà trong đó các thông số hệ thống biến đổi rất nhanh,mạnh do một sự biến động đột ngột về giá trị một thông số hệ thống nào đó đợc phân ra làm hai loại: chế độ quá độ bình thờng và chế độ qúa độ sự cố

Trong chế độ quá độ bình thờng, các thông số biến đổi nhanh và sẽ hội tụ tại một giá trị cân bằng mới, đa chế độ hệ thống điện chuyển sang chế độ xác lập mới, nguyên nhân của chế độ qúa độ bình thờng là sự thay đổi phụ tải hay thay đổi thông số vật lý của

hệ thống điện Trong chế độ quá độ sự cố, là sự thay đổi thông số chế độ nhanh và mạnh

và không tiến tới một giá trị cân bằng nh trờng hợp trớc và có thể dẫn tới việc tách lới

do hệ thống bảo vệ của hệ thống tác động

* Cân bằng công suất của hệ thống điện

Do đặc điểm của điện năng là một dạng năng lợng không thể dự trữ đợc nên tại mọi thời điểm khi vận hành hệ thống điện, luôn luôn phải duy trì cân bằng công suất của

hệ thống, nếu không sẽ ảnh hởng tới các quá trình làm việc của máy móc hoặc thậm chí dẫn tới tan rã lới hệ thống

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống phải luôn đợc cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ

Thớc đo cho sự cân bằng này là 2 chỉ tiêu chất lợng điện năng là tần số và điện áp Nếu công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải thỉ sẽ làm cho tần số của hệ thống giảm xuống, ngợc lại thì tấn số sẽ tăng lên cao Nếu tần số của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống coi nh đủ công suất tác dụng Do tần số là một thông số tức thời tại mọi thời điểm nên để đảm bảo giữ cho tần số nằm trong phạm vi cho phép thì cần có dự trữ công suất cho hệ thống, nhà máy đảm nhận việc dự trữ công suất cho hệ thống sẵn sàng đáp ứng khi hệ thống yêu cầu gọi là nút cân bằng của hệ thống Và hệ thống dự trữ công suất này gọi là bộ điều chỉnh tần số hay gọi là bộ điều tần Ngoài công suất dự trữ sự cố, còn có thể đặt thêm công suất dự trữ bảo quản để bảo quản các tổ máy mà không ảnh hởng đến phụ tải

Trớc hết, công suất điện nói chung cần đảm bảo cung cấp cho phụ tải và các tổn hao ngay cả trong khi có sự cố tại thời điểm phụ tải cực đại năm theo công thức sau:

∑ PF =m.∑ Ppt +∑ Ptd +Pdtsc+Pdtbq+∑∆P

∑ PF :tổng công suất tác dụng của nhà máy điện

m : hệ số xuất hiện đồng thời các phụ tải cực đại

∑ Ppt:tổng công suất của các phụ tải

∑ Ptd :tổng công suất tự dùng của nhà máy điện,với nhiệt điện

thì lấy 5 10%(m.- ∑Ppt +∑ ∆P);thuỷ điện lấy bằng 1%

∑ ∆P:tổng công suất tổn hao trong hệ thống điện,lấy khoảng

10% công suất phụ tải

Pdtsc:công suất dự trữ sự cố ,bằng khoảng

10- 15%(m.∑Ppt +∑∆P) và lớn hơn công suất tổ máy lớn

nhất;

Pdtbq:công suất dự trữ bảo quản , nhu cầu công suất này đợc

tính theo điều kiện cụ thể của hệ thống điện

Với việc cân bằng công suất phản kháng ,ta lấy thớc đo là điện áp nút Nếu điện áp nằm trong giới hạn quy định thì công suất phản kháng của hệ thống là đáp ứng đủ cho phụ tải Nếu không thì điện áp sẽ tăng quá cao hay giảm thấp,và cũng gây ra hậu quả nguy hiểm không kém so với tần số, nếu quá áp thị dẫn tới các cách điện không chịu đựng đợc

và có thể gây cháy nổ động cơ hay thiết bị, nếu tụt áp thì sẽ dẫn tới quá trình suy giảm

điện áp và có thể dẫn tới rã lới

Việc cân bằng công suất phản kháng của hệ thống cũng đợc tiến hành tơng tự :

∑ QF =m.∑ Qpt +∑ Qtd +∑ Qdt +∑ QB+∑ ∆Q- ∑ Qc

∑ QF :tổng công suất phản kháng của nguồn

∑ Qpt :tổng công suất phản kháng của phụ tải

m : hệ số xuất hiện đồng thời các phụ tải cực đại (m=1)

∑ Qtd :tổng công suất phản kháng tự dùng của nhà máy điện

∑ Qdt :tổng công suất phản kháng dự trữ của hệ thống

∑∆Q:tổng tổn thất công suất phản kháng của hệ thống

∑ Qc :tổng công suất phản kháng do đờng dây sinh ra

∑ QB:công suất tổn hao của các máy biến áp ,lấy xấp xỉ

20%∑ Spt

Trong trờng hợp công suất phản kháng của hệ thống không có khả năng phát đủ thì

ta phải tiến hành bụ công suất phản kháng cho lới điện theo nguyên tắc bù từ xa tới gần

và bù từ hệ số công suất thấp tới hệ số công suất cao Khi đó công suất phản kháng bù

đợc tính theo công thức sau:

Qb = m.∑ Qpt +∑ Qtd+∑ Qdt+∑ QB+∑∆Q - ∑ Qc -∑ QF

Trong thiết kế lới điện hệ thống đơn giản, ta coi ∑ Qtd =0 , bỏ qua công suất phản kháng sinh ra do dung dẫn của đờng dây, công suất phản kháng tiêu hao do vận hành máy biến áp

Cân bằng công suất hệ thống điện là điều kiện cần cho sự tồn tại chế độ xác lập của

hệ thống Điều kiện đủ là ổn định tĩnh Đó là khả năng khôi phục lại thông số trạng thái làm việc ban đầu của thiết bị sau khi bị các kích động nhỏ, nó phụ thuộc vào thông số cấu trúc của hệ thống, tức là đảm bảo đợc các bất phơng trình trên

Khi hệ thống có các biến động lớn mà vẫn phục hồi đợc chế độ ban đầu thì ta nói hệ thống điện có khả năng ổn định động ổn định động đợc đảm bảo nhờ cấu trúc hợp lý của lới, các thiết bị điều khiển, và đóng cắt, các thiết bị chống sự cố khác

ổn định động là điều kiện làm việc lâu dài của hệ thống điện

III 2.Mục đích hoạt động của hệ thống điện

Ta biết rằng nhu cầu sử dụng điện nh nguồn năng lợng tiện lợi nhất cho sinh hoạt

và sản xuất Đó là lý do thúc đẩy sự phát triển của hệ thống điện Và khi đã đứng trên

nhiệm vụ sản xuất điện năng cho xã hội thì ngành điện phải đảm bảo chất lợng điện năng cho sản xuất và sinh hoạt cũng nh đảm bảo hiệu quả kinh tế để tự nuôi sống chính mình Nh đã biết, hệ thống điện đợc đánh giá theo 4 tiêu chuẩn:

- An toàn điện

- Chất lợng điện năng

- Độ tin cậy cung cấp điện

- Hiệu quả kinh tế

Điện năng sản xuất sử dụng trong đời sống có mức độ nguy hiểm rất lớn đối với con ngời, và hậu quả thờng là ảnh hởng tới tính mạng của con ngời Vì vậy việc đảm bảo

an toàn cho con ngời và cho cả hệ thống điện là hết sức quan trọng

Việc đảm bảo an toàn cho con ngời đợc thực hiện bằng cách tạo khoảng cách an toàn cách ly ngời và các thiết bị mang điện, với những ngời làm việc với điện thì phải

có các dụng cụ an toàn chống tiếp xúc với điện áp, dòng điện Ngoài ra còn có hệ thống nối đất chống dò điện, gây tổn thơng cho con ngời khi sơ ý chạm vào vật bị rò điện An toàn cho các thiết bị điện đợc đảm bảo bằng hệ thống điều khiển và bảo vệ tự động Bảo

vệ hệ thống điện khỏi các sự cố nguy hiểm cho thiết bị điện và các máy điện

- Vấn đề chất lợng điện năng của hệ thống,đợc thể hiện bằng hai thông số là điện

áp và tần số Nh đã nói ở phần cân bằng công suất, đây chính là hai thớc đo sự cân bằng công suất của hệ thống Đảm bảo điện áp nút và tần số hệ thống nằm trong vùng chấp nhận đợc là đảm bảo đợc chất lợng điện năng của hệ thống, ngời ta dùng nhiều biện pháp để đảm bảo vấn đề này, nh đã giới thiệu chung ở phần cân bằng công suất trên

- Độ tin cậy cung cấp điện là khả năng cung cấp điện liên tục cho phụ tải mà không

bị gián đoạn trong thời gian dài Vấn đề này quan trọng do tính chất ảnh hởng của điện năng tới các công việc khác trên các khía cạnh mang tính xã hội và ảnh hởng tới đời sống Với các phụ tải loại một, nh các toà nhà chính trị, điện năng dùng cho chiếu sáng, dùng cho các hệ thống thông tin liên lạc quan trọng mang tầm cỡ ảnh hởng tới quốc gia, hay ở các bệnh viện, việc cứu chữa bệnh nhân hết sức quan trọng và cần có sự trợ giúp của các thiết bị kĩ thuật dùng điện, nên cung cấp điện liên tục cho các bệnh viện là phải đợc

u tiên hàng đầu, sau đó là các phụ tải công nghiệp, các xí nghiệp sản xuất nếu bị gián

đoạn sản xuất do mất điện có thể làm cho sản phầm trở thành phế phẩm…cuối cùng là hộ sinh hoạt, mặc dù luôn hạn chế việc cắt điện trong lới nhng hộ sinh hoạt đợc u tiên cuối cùng khi cung cấp công suất cho phụ tải

- Cuối cùng là hiệu quả kinh tế của vận hành hệ thống điện, thể hiện bằng độ tổn thất điện năng, giá thành điện năng, chi phí vận hành hằng năm…Các chỉ tiêu này phải nằm trong khoảng chấp nhận đợc

Chơng II:

Mô hình hoá các phần tử của hệ thống điện

Lý thuyết về giải tích lới điện

I Thay thế các phần tử trong hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử từ máy phát đến đờng dây và tới các nút phụ tải Một cách khái quát thì hệ thống điện gồm những phần tử chính nh sau:

- Máy phát

- Máy biến áp

- Đờng dây

- Tụ điện, kháng điện để điều chỉnh điện áp nút hay bù công suất cho đờng dây

- Các phần tử điều khiển SVC, các thiết bị đóng cắt nh máy cắt, dao cách ly, và các thiết bị khác

Đứng trên quan điểm về giải tích lới, ta quan tâm tới các thiết bị chính trong hệ thống tham gia trực tiếp vào việc truyền tải điện năng và ảnh hởng trực tiếp đến thông số của hệ thống điện Nh là máy phát, máy biến áp, đờng dây, tụ , kháng điện, phụ tảỉ điện

I.1 Máy phát và sơ đồ thay thế của máy phát

Máy phát là bộ phận khởi đầu cho bất cứ một hệ thống điện nào Đây là nơi cung cấp

điện năng phát lên lới Trong chế độ xác lập,máy phát chỉ đợc coi nh là một nút phát công suất âm của lới điện Ngoài ra máy phát còn có những chế độ làm việc khác và tơng ứng có những sơ đồ thay thế hợp lý hơn phục vụ cho việc giải tích lới tính toán thông số chế độ, nh chế độ quá độ,chế độ sự cố

Nh vậy, máy phát điện trong nghiên cứu ở chế độ xác lập đợc coi nh một nút phát công suất vào lới điện và theo qui ớc chung,công suất sẽ mang dấu âm

Thay thế máy phát trong chế độ xác lập

P,E

I.2 Đờng dây và sơ đồ thay thế đờng dây

Đờng dây là phần tử chính để truyền tải điện năng,có rất nhiều loại đờng dây khác nhau nhng chúng cùng mang bản chất vật lý giống nhau, cùng là loại vật chất dẫn điện

và dùng để truyền tải công suất ,tiêu hao một phần điện năng trên đờng dây qua hiệu ứng Jun−Lenxơ, phát nhiệt ra ngoài môi trờng gây tổn hao công suất,với dòng điện xoay chiều thì tạo ra từ trờng biến thiên xung quanh dây dẫn, gây tổn hao năng lợng

Ngoài ra giữa các pha của dây dẫn còn có sự cảm ứng của từ trờng biến thiên lẫn nhau gây điện áp cảm ứng trongdây dẫn Giữa các pha còn có điện dung kí sinh gây dòng

điện rò và tổn hao công suất phản kháng Các tổn hao này đều đợc tính đến trong quá trình giải tích lới nhằm đạt đợc độ chính xác cho kết quả

+ Do mang một điện trở nhất định,đờng dây luôn toả ra nhiệt lợng khi đang vận hành, đây là hiện tợng phát nóng dây dẫn và đặc trng bằng diện trở của dây dẫn Với mỗi km chiều dài, điện trở của dây dẫn đợc gọi là điện trở đơn vị : Ro( /km) Ω

+ Với dòng điện xoay chiều luôn tồn tại trên đờng dây, giữa các dây dẫn sẽ có từ trờng tự cảm và hỗ cảm gây ra giữa các dây dẫn Hiện tợng này gây ra tổn thất công suất phản kháng và tạo điện áp rơi trên toàn bộ chiều dài đờng dây, và đợc đặc trng bởi thông số vật lý là điện kháng đơn vị : Xo( /km) Ω

+ Điện áp xoay chiều tồn tại trên đờng dây gây ra điện trờng giữa các dây dẫn,giữa dây dẫn với đất Điện trờng này gây ra dòng điện dung có tác dụng làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm (của phụ tải) chạy trong dây dẫn và đợc đặc trng bởi dung dẫn đơn vị Bo(1/ /km), hoặc là công suất phản kháng dung tính QΩ c của đờng dây, công suất này có giá trị đáng kể ở các đờng dây cao áp điện áp trên 110kV

+ Một hiện tợng vật lý nữa thờng xảy ra tại điện áp cao gây tổn thất điện năng là tổn thất vầng quang, đó là hiện tợng phóng điện vầng quang, và đặc trng bởi điện dẫn

đơn vị tính trên mỗi km chiều dài dây dẫn: Go(1/ /km).Ω điện dẫn của đờng dây G chỉ

đợc tính ở điện áp cao trên 330kV vì ở điện áp thấp hơn, tổn thất vầng quang và rò điện rất nhỏ, không đáng kể

Tất cả các thông số trên đều đợc tính trên mỗi km chiều dài dây dẫn nên gọi là thông số rải Và đợc tính toán trên toàn bộ đờng dây Sau đó mới đợc thay thế bằng thống số tập trung và lựa chọn sơ đồ thay thế tập trung tơng ứng với mỗi cấp điện áp

Tổng quát,dây dẫn đợc thay thế bằng sơ đồ nh sau:

Với các thông số đợc xác định nh sau:

R=Ro*L/n X=Xo*L/n C=Co*L*n/2 G=Go*L*n/2

Với L: hiều dài đờng dây (km) c

n: số lộ đờng dây

Tuy nhiên trong các cấp điện áp khác nhau thì sơ đồ thay thế dây dẫn theo thông số tập trung cũng đợc rút gọn và đơn giản hơn Tơng ứng với từng cấp điện áp , sơ đồ thay thế nh sau:

- Với lới cao áp, hoặc siêu cao áp có độ dài ngắn, phóng điện vầng quang đợc coi nh bỏ qua vì cờng độ điện trờng gây ra do điện áp giữa các pha tuy lớn nhng cha gây ra phóng điện vầng quang lớn tạo tổn thất đáng kể Hoặc với cáp điện thì hiện nay cũng cha có loại cáp điện dùng cho cấp điện áp này Tuy nhiên ở cấp điện áp cao nên

điện dung giữa các pha vẫn đáng kể nên vẫn đợc tính ến đ

jB/2 G/2

jX R

jB/2 G/2

I.3 Máy biến áp và sơ đồ thay thế

- Nhánh đờng dây đã đợc thay thế theo sơ đồ tập trung nh trên, tuy nhiên trong lới điện còn có các phần tử khác tham gia vào hệ thống và, làm cho thông số của hệ thống thay đổi nh MBA, tụ điện và kháng điện cho việc bù công suất trên phản kháng trên đờng dây, ừa cho bù kĩ thu v ật lại vừa bù kinh tế Đứng trên quan điểm giải tích lới

điện, ta thay thế các phẩn tử trên bằng các thông số nhánh nh thay thế đờng dây, và gọi

là các nhánh MBA hoặc nhánh tụ, kháng

Với nhánh MBA, ta có 2 loại máy biến áp, MBA hai cuộn dây và MBA ba cuộn dây.Với mỗi loại ta phải có cách thay thế khác nhau phù hợp với đặc điểm từng loại máy MBA khi vận hành luôn có tổn hao không tải dù nó có truyền tải công suất hay không,

đây là tổn hao trong lõi thép của MBA, sinh ra do từ thông trong lõi thép của MBA gây phát nóng do các hiệu ứng về dòng uco hay tổn hao mạch từ khi truyền tải công suất qua Fmáy biến áp Tổn thất không tải đợc đặc trng bởi nhánh ngang trong sơ đồ thay thế máy biến áp :

∆S• = ∆ Po + j ∆ Qo

Đợc tính bằng các kết quả của thí nghiệm không tải ết quả này do nhà sản xuất K

đo đạc và đa ra dựa trên kết quả về dòng điện không tải và tổn hao công suất tác dụng không tải Từ đây có thể tìm giá trị điện dẫn và dung dẫn của MBA theo các công thức sau:

100

S

% I

Qo = o dd

∆

2 cdd

dd o 2

cdd

o b

U 100

S

% I U

Q

Trong đó các đơn vị của thông số là: MW, MVA, kV

Bản thân MBA đợc thay thế bằng các thông số về điện trở và điện kháng Các giá trị này đợc xác định bằng các thí nghiệm ngắn mạch Tổn thất công suất tác dụng trong thí nghiệm ngắn mạch rất nhỏ nên ta cho rằng tất cả tổn thất công suất trong thí nghiện ngắn mạch ∆Pnsẽ đốt nóng các cuộn dây MBA, và hiên tợng này là hiệu ứng Jun Lenxơ đợc −tính trên 3 cuộn dây của MBA nh sau:

b 2 cdd

2 dd b

2 dd

u

s R I 3

∆

Vậy

dd 2

3 2 cdd n b

S

10 U P

2 cdd

o b

U

P

=

S 100

U

% u

( )Ω

I.3.1 Máy biến áp hai dây quấn

Sơ đồ thay thế của MBA hai cuộn dây bằng sơ đồ thông số tập trung hình π nh sau:

- Ta coi một MBA bao gồm các tổn thất không tải và các thông số dặc trng của nó

đợc phân ra làm hai phần,một MBA lý tởng và một tổng dẫn đặc trng cho các tổn hao của MBA gây ra trong quá trình vận hành,sơ đồ đợc hiển thị trên hình vẽ:

a: hệ số biến áp, đợc tính bằng tỉ số điện áp giữa cuộn cao và cuộn hạ, ta xét cả sự

điều chỉnh dới tải của MBA tại bên cao vì ở phía này dòng điện nhỏ hơn, an toàn hơn.Khi cha điều chỉnh hệ số biến áp định mức k=1 Khi điều chỉnh thì k sẽ khác 1 và k=a/1

đTrong sơ đồ này ta tính dòng điện từ hai phía nh hình vẽ với chiều ã mặc định Và

từ đó thiết lập hệ phơng trình dòng và áp cho mạng hai cửa này:

Ii -= (Ik / a)

Ta có : Ik = Y(Uk-Ui)

Nh vậy ,ta có :

Ik = Y.Uk-Y.Ui/a

Ii -= (Y.Uk/a)+(Y.Ui/a2)

Và tơng ứng với sơ đồ hình với các thông số thay thế nh sau:π

12 11

U

U Y Y

Y Y

a / Y Y

12 11

I

U A

A

A A

Y / a a

Zn1=Zd/(A22-1)=A12/(A22-1)=a2/((a+1)*Y)

Zn2 = Zd/(A11-1)=a/(Y(1 a))

-Với giá trị của điện trở và điên kháng thay thế của MBA đợc tính nh trình bày trên

Sau đây ta sẽ sử dụng lý thuyết về lý thuyết mạch để tìm sơ đồ thay thế hình π cho MBA

Nh sơ đồ thay thế trình bày ở trên, ta có:

Ii Zd Ik

Y/(a*(1−Y)

Ui Y*(a+1)/ a2 Uk

Đây là sơ đồ thay thế tập trung của máy biến áp hạ áp.Với máy biến áp tăng áp thì

ta nghịch đảo số a tức là hệ số biến áp thay đổi ngợc lại

I.3.2 Máy biến áp ba cuộn dây

Trong số liệu kỹ thuật máy biến áp ba cuộn dây, nhà chế tạo cho biết các tham số :

Sđm: Công suất định mức của máy biến áp

UCđm,UTđm,UHđm: Điện áp định mức trên môĩ cuộn dây

Po: Tổn thất công suất tác dụng khi không tải

Io%: Dòng điện không tải phần trăm so với dòng điện định mức

∆Pn: Tổn thất công suất tác dụng khi ngắn mạch khi hai cuộn dây làm việc

U ,U ngắn mạch tính theo phần trăm so vơi điện áp định mức

Víi c¸c gi¸ trÞ RbC,RbT,RbH,XbC,XbT,XbH: lµ c¸c gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng cña c¸c cuén cao, trung vµ h¹ cña m¸y biÕn ¸p, ®îc tÝnh to¸n nh sau:

a §iÖn trë t¸c dông cña c¸c cuén d©y cao ¸p,h¹ ¸p ,trung ¸p cña m¸y biÕn ¸p

§îc tÝnh to¸n t¬ng tù nh trong m¸y biÕn ¸p hai cuén d©y, ta tÝnh ®iÖn trë t¸c dông theo tæn thÊt c«ng suÊt t¸c dông ng¾n m¹ch trªn mçi cuén d©y

dd 2

3 2 cdd n b

S

10 U P

R = ∆

( )ΩVíi c«ng suÊt t¸c dông ng¾n m¹ch trªn mçi cuén d©y ®îc tÝnh nh sau:

∆

=

∆

] P P

P [ 5 , 0 P

] P P

P [ 5 , 0 P

] P P

P [ 5 , 0 P

) c ( n )

t h ( n )

h c ( n nh

) h c ( n )

t c ( n )

h ( n nt

) h ( n )

t c ( n )

h c ( n nc

Thay c¸c gi¸ trÞ c«ng suÊt t¸c dông ng¾n m¹ch tÝnh ®îc trªn tõng cuén d©y vµo c«ng thøc trªn, ta sÏ lÇn lît tÝnh ®îc ®iÖn trë t¸c dông cña c¸c cuén d©y

b Điện kháng thay thế của từng cuộn dây

Điện khángthay thế của từng cuộn dây đợc tính thông qua điện áp ngắn mạch của từng cuộn dây đó theo công thức

Xb=

dd

2 cdd n

S 100

U

% u

( )Ω

Với điện áp ngắn mạch phần trăm đợc tính trên mỗi cuộn dây theo công thức:

c Giá trị điện dẫn G b và B b đợc tính nh trong máy biến áp hai cuộn dây

2 cdd

o b

dd o 2

cdd

o b

U 100

S

% I U

Q

I.4 Kháng điện và tụ điện

Để bù công suất phản kháng do các phụ tải và các phần tử của mạng điện tiêu thụ, cũng nh để bù thông số phản kháng đờng dây, có thể sử dụng các thiết bị bù, ví dụ nh máy bù đồng bộ, các bộ tụ điện, các kháng điện…

Các bộ tụ, các máy bù đồng bộ đợc sử dụng để phát công suất phản kháng vào các nút cảu mạng điện Các thiết bị này đợc nối với các thanh góp của các trạm và đợc gọi

là các thiết bị bù song song hay là bù ngang Trong các sơ đồ thay thế các thiết bị bù công suất phản kháng thờng đợc biểu diễn giống nh các nguồn cung cấp Trong trờng hợp này các giá trị công suất phản kháng do các thiết bị bù phát ra đợc cho ở các sơ đồ thay thế

Các thiết bị bù các thông số phản kháng của mạng điện là các bộ tụ đấu nối tiếp với

đờng dây (bù dọc), các kháng điện nối song song …Trong sơ đồ thay thế các thiết bị bù này đợc biểu diễn bằng các thông số phản kháng tơng ứng: dung kháng của các bộ tụ và

điện dẫn phản kháng của các kháng điện

% u

[ 5 , 0

% u

[ 5 , 0

% u

[ 5 , 0

%

u

) c ( n )

t h ( n )

h c ( n nh

) h c ( n )

t c ( n )

h ( n nt

) h ( n )

t c ( n )

h c ( n nc

Dung kháng của bộ tụ đặt nối tiếp vào đờng dây đợc xác định

1

=

ω : tần số của lới điện ,đợc chon là 314 rad/s

C : điện dung của tụ điện điện đơn vị fara

Udd : điện áp danh định của bộ tụ kV

Qddt : công suất danh định của bộ tụ điện, kVAR

Sơ đồ nguyên lý mắc nối tiếp tụ điện vào đờng dây

Uddk : Điện áp danh định của kháng điện (kV)

Qddk : Công suất danh định của kháng điện (kVAR)

Tổn thất công suất tác dụng trong các thiết bị bù thờng không đợc tính trong sơ đồ thay thế Tính đến ảnh hởng của tổn thất công suất tác dụng chỉ yêu cầu trong khi đánh giá hiệu quả của mạng điện

Ud

I.5 Phụ tải và sơ đồ thay thế

I.5.1 khái niệm về nút và phụ tải

Nút là các điểm nối hai hay nhiều nhánh lại với nhau, tại đó có các phụ tải, nguồn

điện hay là điểm đấu cho các thiết bị bù của hệ thống đặc trng cho nút là các thông số

hệ thống là công suet, điện áp nút gồm có 3 loại nút, đó là :

Nút cân bằng (CB) là nút duy trì điện áp ổn định có công suất đủ lớn để gánh tổn thất trên lới, đây cũng là nút điều tần cho hệ thống và là nút có công suất lớn nhất trong

hệ thống ở nớc ta, nút cân bằng chính là nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, có công suất

1920 MW Trong tính toán giải tích lới, ta sẽ qui ớc nút cân bằng là nút thứ 0 trong hệ thống Và nút cân bằng này có điện áp nút là đã biết trớc: Uo

Nút nguồn (P, V) đợc đặc trng bằng 2 thông số chế độ là công suất nguồn và điện

áp modul của nút Tức là với nút nguồn thì công suất tác dụng và điện áp lới là đã biết trớc Ta cần tìm góc pha của điện áp nút và giá trị công suất phản kháng của nút để duy trì đợc điện áp nút nh trên Số nút nguồn đợc kí hiệu là: ng

Nút tải (P, Q) là nút tiêu thụ công suất trong lới, và đợc đặc trng bởi hai thông

số chế độ là công suất tác dụng và công suất phản kháng của lới điện Với nút tải (P, Q),thì ta cần tìm điện áp nút và góc pha của nút

Với một lới điện có n 1 nút thì bao + gồm:

+ 1 nút cân bằng (CB)

+ ng nút nguồn (P,V)

+ n ng nút tải (P, Q)

-I.5.2 Mô hình phụ tải trong tính toán hệ thống điện

Tuỳ theo tính chất của mạng điện và mục đích tính chế độ các phụ tải điện có thể biểu diễn bằng các phơng pháp khác nhau

a Phụ tải đợc biểu diễn bằng dòng điện không đổi về modul và góc pha

Ipt = I’pt +j.I”pt = const

Phơng pháp biểu diễn phụ tải này đợc áp dụng trong khi tính chế độ của các mạng phân phối điện áp thấp U < 1kV Thông thờng trong các mạng điện thành phố,

Ipt = I’pt+jI”pt= const

nông nghiệp phụ tải cũng đợc cho bằng dòng điện không đổi về modul và góc pha Các nguồn cung cấp cho các mạng phân phối là các thanh góp hạ áp của các trạm khu vực Thờng giả thiết rằng điện áp của các nguồn cung cấp đã biết Khi cho phụ tải ở dạng dòng điện không đổi thì chế độ xác lập của mạng đợc mô tả cho dới dạng dòng điện không đổi sẽ dẫn tới sai số rất lớn vì vậy ngời ta thờng không sử dụng dạng phụ tải này trong tính toán

b Phụ tải đợc cho bằng công suất không đổi về giá trị

đổi khi thay đổi chế độ, và công suất toàn phần của phụ tải cũng không thay đổi

Trong khi tính các mạng phân phối điện áp thấp, phụ tải đợc cho bằng công suất không đổi Spt= const với giả thiết rằng điện áp ở tất cả các nút bằng điện áp danh định

c Phụ tải đợc biểu diễn bằng tổng trở hay là tổng dẫn không đổi

Phơng pháp này tơng đơng với cho phụ tải băng các đờng đặc tính tĩnh có dạng của các parabol bậc hai:

Ppt = U2Gpt

Qpt = U2Bpt

Biểu diễn phụ tải nh trên không đảm bảo độ chính xác cao của các kết quả nhận

đợc bởi vì trong thực tế chính tổng trở và tổng dẫn của các phụ tải là các hàm số của điện

áp đặt vào Cho tổng trở và tổng dẫn không đổi của phụ tải không đổi khi tính các quá trình quá độ điện cơ

d Phụ tải đợc cho bằng các đờng đặc tính tĩnh

Công suất tác dụng và phản kháng là các đặc trng quan trọng nhất của phụ tải tiêu thụ điện năng Công suất tiêu thụ của phụ tải phụ thuộc vào điện áp, tần số Đồ thị đặc trng cho sự phụ thuộc của công suất tiêu thụ vào điện áp hay là tần số trong chế độ xác lập đợc gọi là các đờng đặc tính tĩnh của phụ tải

Các đặc tính tĩnh của phụ tải theo điện áp phản ánh đầy đủ hơn các tính chất của phụ tải so với trờng hợp cho bằng dòng điện, công suất hay là tổng trở không đổi, song

sử dụng phơng pháp này dẫn đến sự phức tạp trong tính toán Trong nhiều trờng hợp các

đờng đặc tính này không biết và chỉ có thể sử dụng các đờng đặc tính điển hình Tuỳ từng loại phụ tải ( động cơ, chiếu sáng, phụ tải nhiệt …) mà ta có các đặc tính tĩnh khác nhau Xét đến các đờng đặc tính tĩnh theo điện áp ảnh hởng chủ yếu đến kết quả tính chế độ xác lập Sau khi sự cố, điện áp khác nhiều so với điện áp danh định Các đờng đặc tính tĩnh theo điện áp đối với các phơng pháp biểu diễn khác nhau của phụ tải cho trên hình sau:

Đờng 1: Spt= const ( Ppt = const, Qpt = const)

Đờng 2 Y: pt= const

Đờng 3: đờng đặc tính tĩnh điển hình P*pt(U)

Đờng 4: đờng đặc tính tĩnh điển hình Q *pt(U)

e Phụ tải đợc biểu diễn bằng dòng điện ngẫu nhiên

Phụ tải đợc cho bằng đại lợng ngẫu nhiên đợc sử dụng trong khi tính toán chế

độ của các hệ thống điện có tỷ lệ phụ tải kéo lớn Điện khí hoá giao thông là dạng đặc biệt của phụ tải điện , phụ tải này thay đổi theo thời gian về giá trị và vị trí nối Các phụ tải kéo

đợc biểu diễn dới dạng Ipt(q), trong đó q là đại lợng ngẫu nhiên Phân tích chế độ có xét đến tính chất ngẫu nhiên của phụ tải đợc áp dụng để tính các chế độ của các hệ thông

và đặc biệt là với các hệ thông điện cung cấp cho đờng sắt

II Thành lập ma trận tổng dẫn

II.1 Khái niệm chung

Để phân tích các lới điện nhất là khi áp dụng máy tính thì mô hình nút là mô hình cơ bản và tiện lợi Mô hình này mô tả các đại lợng điện ở các nút của lới điện: điện áp nút và dòng điện nút Điện áp nút là một đại lợng quen thuộc còn dòng điện nút ta hiểu là dòng điện trong nguồn điện hoặc phụ tải điện (phần tử ngoài lới) nối vào nút Để tổng quát ta coi điểm đất hay điểm trung tính của lới là một nút nh mọi nút khác, đánh số 0

và có điện áp U0= 0 nếu đợc đo so với điện thế của chính điểm đó

Quan hệ giữa dòng và áp nút có thể rút ra từ các định luật Kirchoff 1, 2 và định luật Ohm cho mạch điện Không mất tính tổng quát ta giả thiết lới điện có 4 nút đánh số từ 0

đến 3, áp dụng định luật Kirchoff 1 cho nút 1 ta có:

I10 + I12 + I13 = J1 (2.1) Trong đó vế trái biểu diễn tổng các dòng điện trong các nhánh của lới nối tới nút 1, chẳng hạn I10là dòng nhánh 1 − 0 Nếu trong lới không tồn tại nhánh nối trực tiếp giữa

1 và 0 thì coi I10 = 0 Vế phải biểu diễn dòng nút J1 ở nút 1 và ta quy ớc dòng mang dấu dơng nếu đi vào lới ( nguồn điện ) và mang dấu âm nếu ra khỏi lới ( phụ tải ) Quy ớc này đối với dòng nút dẫn đến xác định dấu dòng nhánh, chẳng hạn dòng nhánh I10 dơng nếu đi từ 1 đến 0

ứng dụng định luật Ohm ta biểu diễn các dòng nhánh trong phơng trính theo điện

áp hai nút đầu nhánh Phơng trình 2.1 trở thành:

y10 ( U1 −U0 ) + y12 ( U1 −U2 ) + y13 ( U1 −U3 ) = J1 (2.2)

Trong đó U kí hiệu điện áp và y10 , y12 , y13 là tổng dẫn các nhánh 1 0 , 1 2 , 1− − −3 ( bằng nghịch đảo của tổng trở nhánh ), tổng dẫn nhánh bằng 0 nếu không tồn tại nhánh

đó Các đại lợng này khác với đại lợng tổng dẫn ngang của đờng dây truyền tải điện, tổng dẫn ngang nh thế coi là một nhánh riêng nối với nút đất Nhóm các số hạng trong 1.2 theo điện áp ta có :

−y10 U0 + (y10 +y12+y13 )U1 − y12U2−y13U3 = J1 (2.3)

Phơng trình này cho ta quan hệ giữa dòng nút 1 và điện áp các nút trong lới, mỗi

số hạng ứng với một điện áp nút, hệ số của chúng là một đại lợng có thứ nguyên tổng dẫn

Y10U0 + Y11U1 + Y12U2 + Y13U3 = J1

Phơng trình biểu diễn quan hệ giữa các điện áp nút và dòng nút 1, các phơng trình tơng tự có thể viết cho các nút 0 , 2 , 3 Từ dạng phơng trình nút ta có thể lập Hệ phơng trình cân bằng dòng nút, viết ở dạng ma trận sẽ là :

Y Y Y Y

Y Y Y Y

Y Y Y Y

Y Y Y Y

U U U U

J J J J







 (2.4)

Đây là hệ phơng trình tuyến tính, ma trận của hệ là ma trận tổng dẫn nút kí hiệu là

Y, nếu ta cũng kí hiệu và là véc tơ điện áp nút và vectơ dòng nút thì phơng trình 2.4 U J

có thể viết gọn thành: Y.U = J (2.5)

Dạng của hệ phơng trình cân bằng dòng nút không phụ thuộc cấu hình cụ thể của lới điện, đó là điều kiện cần thiết cho một mô hình tổng quát để nghiên cứu hệ thống Ta khái quát hoá quy tắc xác định tổng dẫn nút cho một lới điện bất kì, giả thiết không có

hỗ cảm từ giữa các nhán h

Tổng dẫn riêng của một nút k nào đó bằng tổng tất cả các tổng dẫn nhánh nối trực tiếp với nút k :

Ykk = Σykm ( m ≠ k )

Nếu nhánh nối trực tiếp k − m không tồn tại thì ykm = 0, tổng trên lấy theo mọi nút

m, m k và ta thấy đại lợng tổng dẫn riêng của 1 nút trong lới bao giờ cũng khác 0.≠

m Tổng dẫn tơng hỗ giữa nút k và nút m bằng giá trị âm của tổng dẫn nhánh k −

và bằng 0 nếu không tồn tại nhánh này:

Ykk= − ykm

Nh vậy ma trận tổng dẫn có thể xác định từ thông số nhánh và đó là một ma trận

đối xứng vì Ykm = Ymk Nếu lấy tổng các phần tử của một hàng hay một cột của ma trận thì

ta đợc giá trị 0, nói cách khác ma trận có một hàng (một cột) phụ thuộc vào hàng (cột)khác Ma trận nh vậy là suy biến, không tồn tại ma trận nghịch đảo

Mặt khác tổng các phần tử của vectơ dòng nút j ở vế phải của (2.4) cũng bằng 0 theo luật cân bằng dòng vào ra của toàn lới điện Vậy một phơng trình trong hệ phơng − trình là phụ thuộc, nó bằng tổng của các phơng trình khác Hệ phơng trình nh vậy theo toán học sẽ có nghiệm không duy nhất, tức là với vectơ đã cho có nhiều nghiệm điện áp J

nút thoả mãn hệ phơng trình

Trở lại phơng trình 2.2 ban đầu, trong phơng trình này vì điện áp chỉ xuất hiện dới dạng hiệu hai điện áp nên phơng trình thoả mãn với vô số điện áp có giá trị khác nhau cùng một hằng số cộng Nếu điện áp đợc so sánh với một nút quy chiếu là nút đất − nút số 0 nh đã nói ở trên, có điện áp U0 = 0 Thay giá trị này vào hệ phơng trình đồng thời bỏ đi phơng trình ứng với nút 0 có dòng i0 phụ thuộc vào các dòng nút khác thì hệ phơng trình trở nên hoàn toàn xác định và có nghiệm duy nhất

Nh vậy điện áp của lới xác định khi ta cho trớc trị số của nó ở một nút nào đó trong lới, nút này gọi là nút cơ sở điện áp của lới, nó xác định một “mặt bằng điện áp” cho lới Từ đây ta sẽ giả thiết nút 0 là nút cơ sở điện áp có U0 = 0, nút 0 (nút ất) liên hệ đvới các nút lới thông qua nhánh điện dung của đờng dây, nhánh từ hoá của máy biến áp, nhánh bù ngang Trong hệ trên không còn phơng trình với nút đất nhng các nhánh

ngang nối đất trong lới vẫn tham gia vào các phơng trình khác trong các đại lợng tổng dẫn riêng của nút ( Ykk )

Tóm lại đối vời lới điện n + 1 nút ta sẽ có n phơng trình cân bằng dòng nút độc lập Trên cơ sở xây dựng hệ phơng trình cân bằng dòng nút (2.4) ta có những khái niệm cơ

bản về tổng dẫn nhánh, tổng dẫn tơng hỗ, tổng dẫn riên , ma trận tổng dẫn, điện áp nút, dòng điện nú , nút cơ sở điện áp … t Tuy nhiên nh đã nói ở trên, mô hình lới điện sử dụng

để lập phơng trình tính toán là mô hình lới chuẩn, nhánh chuẩn Vì vậy ta sẽ viết hệ phơng trình cân bằng dòng nút cho mô hình này ở phần tiếp theo

II.2 Hệ phơng trình cân bằng dòng nút viết cho lới chuẩn

Giả thiết sơ đồ bao gồm các nhánh chuẩn với n + 1 nút kể cả nút đất, nút đất có số thứ tự là 0 Xét nút k gồm các nhánh nối trực tiếp với k qua máy biến áp lý tởng, nguồn

dòng bơm vào nút ký hiệu là Jk , Jk có thể đợc tính từ công suất và điện áp nút

Với nút nguồn :

U

S

* k

* k k

* k k

J 'I

áp dụng định luật Ohm cho các nhánh :

∑

≠

n k

m

' k

m k

K

Z

UU

n k

mm 0

m km

km k

Y  = −  : là tổng dẫn tơng hỗ nhánh km

⇒ ta có hệ phơng trình sau :

n k

m k

K

Z

UK

n k

mm 0

m km

km k

km

J U U

1

Z

KZ

Y  = −  lµ tæng dÉn t¬ng hç nh¸nh km ⇒ ta cã hÖ ph¬ng tr×nh sau :

n k

kk

Z

KZ

+ +

= +

+ +

2 2 1

1

2 n n 2

22 1

21

1 n n 2

12 1 11

J U Y U

Y U Y

U Y U Y

J U Y

U Y U Y

II.3 Ma trËn tæng dÉn nót

Phần ta đã có định nghĩa về tổng dẫn nút gồm tổng dẫn riêng và tổng dẫn tơng hỗ 2

Cách xác định từng phần tử nh sau :

- Tổng dẫn tơng hỗ : tổng dẫn tơng hỗ giữa nút k và nút m bằng giá trị âm của tổng dẫn nhánh k m nhân với hệ số biến áp của máy biến áp lý tởng và bằng 0 nếu không tồn −tại nhánh này :

km km

Akm = K2

km nếu nhánh k m có máy biến áp lý tởng nối trực tiếp với nút k−

Akm= 1 nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tởng nối gián tiếp với nút k

Nếu nhánh nối trực tiếp k m không tồn tại thì y− km = 0, tổng trên lấy theo mọi nút m với m ≠k và ta thấy đại lợng tổng dẫn riêng của một nút trong lới bao giờ cũng khác 0

Từ đây ta có thể suy ra cách tính thực dụng ma trận tổng dẫn nút Y :

XX

R

R

2 km

2 km

km 2

km

2 km

+

− +

Tính hệ số biến áp của máy biến áp lý tởng trên nhánh k−m

Từ định nghĩa về nhánh chuẩn ta có Kkm = U’k/Uk với U’k là điện áp phía tổng trở Zkm Tổng trở này đặt phía cao áp của máy biến áp lý tởng nếu khi tính toán quy đổi theo điện

áp cuộn cao áp Về nguyên tắc có thể quy đổi theo điện áp cuộn cao áp, cuộn trung áp hay cuộn hạ áp nhng thông thờng ngời ta quy đổi theo cuộn cao áp Nh vậy nếu giả thiết mọi máy biến áp trong lới điện có tổng trở thay thế quy đổi theo cuộn cao áp thì hệ số máy biến áp của máy biến áp lý tởng luôn bằng điện áp của cuộn cao áp chia cho điện áp của cuộn hạ áp

Tính tổng dẫn tơng hỗ

km km

Y = −  Tính tổng dẫn riêng

km k

Akm= K-kmnếu nhánh k m có máy biến áp lý tởng nối trực tiếp với nút k−

Akm= 1 nếu nhánh k−m có máy biến áp lý tởng nối gián tiếp với nút k

Nếu nhánh nối trực tiếp k m không tồn tại thì y− km = 0

II.4 Hệ phơng trình cân bằng công suất nút

Trong thực tế đối với bài toán tính chế độ xác lập thờng không cho trớc dòng nút

mà cho trớc công suất nút của nguồn điện hay của phụ tải điện Vì vậy để lập mô hình toán học cho bài toán phân tích chế độ ta xây dựng phơng trình nút ở dạng cân bằng công suất nút

Nếu gọi điện áp phức ở nút lới k là Uk = uk + jvk và dòng điện phức( phụ tải hay nguồn điện ) ở nút k là Ik Nh ta đã biết ở trên, ta có phơng trình chế độ xác lập:

k k k

U

jq p



Ta nhận thấy vế trái là phi tuyến đối với điện áp, dấu * chỉ số phức liên hợp của điện

áp Biến đổi (2.9) ta có công suất nút là:

pk + jqk = = ∑

m

* m km

* k

* k

km j j ( m

∑Trong đó θkm = θk − θm tách phần thực phần ảo ta có:

pk = Uk∑YkmUmcos( θkm− ψkm)

Bây giờ ta xem xét việc giải các phơng trình này Trong trờng hợp chung thì P , Q

là những hàm phức tạp của điện áp và tần số , do vậy phơng trình có dạng phi tuyến rõ rệt nên không thể dùng phơng pháp giải tích tờng minh mà phải dùng phơng pháp giải thích hợp , đó là phơng pháp lặp Có nhiều phơng pháp lặp khác nhau để giải hệ phơng trình phi tuyến Trớc hết ta có một số nhận định về hệ phơng trình công suất nút :

Giả sử lới điện có n + 1 nút đánh số từ 0 và ta không viết phơng trình cho nút này Tại mỗi nút có 4 biến thực pk , qk , Uk , θk hoặc pk , qk , uk , vk Nếu cho trớc 2(n +1) các

đại lợng này thì từ 2(n +1) phơng trình chế độ xác lập ở trên ta có thể xác định đợc 2(n +1) biến còn lại Điều này đợc thoả mãn nếu ta biểu diễn nút phụ tải bởi công suất P và

Q là những hằng số đã biết Đối với nút nối dây (nút trung gian) thì P = 0 , Q = 0 hoặc Q =

Qc với Qc mô tả cho công suất do điện dung đờng dây sinh ra Với nút nguồn điện cho trớc công suất tác dụng P và modul điện áp U Ta có những nhận xét sau:

− Phơng trình (2.14) dạng toạ độ cực chứa một biến số là góc pha của điện áp, tuy nhiên các phơng trình này chỉ phụ thuộc vào góc tơng đối giữa hai nút θkm = θk − θm Do

đó nếu cộng thêm một đại lợng nào đó vào tất cả các góc thì không làm thay đổi phơng trình Đó là vì về vật lý góc điện áp đợc định nghĩa so với một mốc nào đó tuỳ chọn và ta phải chọn trớc một góc cho một nút nào đó

− Không thể xác định trớc công suất P ở tất cả các nút của lới điện vì điều kiện cân bằng công suất quy định phải có một nút nào đó có công suất phát vào lới phụ thuộc tổng công suất phụ tải, tổn thất công suất trên lới và tổng công suất phát ở các nguồn khác, các đại lợng này vốn luôn luôn thay đổi Nút nh vậy gọi là nút cân bằng công suất và